Προπτυχιακό πρόγραµµα εκπαίδευσης µηχανικών σε ολοκληρωµένα περιβάλλοντα CAE

Transcript

1 Προπτυχιακό πρόγραµµα εκπαίδευσης µηχανικών σε ολοκληρωµένα περιβάλλοντα CAE Γ. Αθανασιάδης 1, Ι. Χαλκίδης 1, Σ.-Τ. Σαλτιέλ 2, Κ. Αγγελόπουλος 2 1 Τοµέας Κατασκευαστικός, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Α. Π. Θ. 2 BETA CAE Systems A.E. Περίληψη. Η ανάγκη για ευρύτερη χρήση των τεχνολογιών σχεδιασµού και µελέτης κατασκευών µε τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών (Computer Aided Design/Computer Aided Engineering - CAD/CAE) και η σύγχρονη µορφή των τεχνολογιών αυτών δηµιουργούν την απαίτηση για νέα προγράµµατα εκπαίδευσης των νέων Μηχανικών. Το Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασµού του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. (Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ.), έδωσε ιδιαίτερη έµφαση κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαπέντε ετών στο γνωστικό αντικείµενο του σχεδιασµού και της µελέτης κατασκευών µε τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών εκπαιδεύοντας και καθοδηγώντας µηχανικούς στην εξέλιξη και εφαρµογή συστηµάτων λογισµικού CAD/CAE. Οµάδα των Μηχανικών αυτών αποτελεί σήµερα τον κύριο πυρήνα έρευνας, εξέλιξης και υποστήριξης λογισµικού CAD/CAE στην εταιρία BETA CAE Systems Α.Ε., Κάτω Σχολάρι Θεςσαλονίκης, τα εµπορικά συστήµατα λογισµικού της οποίας διαδραµατίζουν πρωτοποριακό ρόλο στην παγκόσµια βιοµηχανία αυτοκινήτων, όπου πολλές χιλιάδες µηχανικοί µελετούν και σχεδιάζουν αµαξώµατα και άλλες µηχανολογικές κατασκευές χρησιµοποιώντας και τα προϊόντα λογισµικού της ελληνικής αυτής εταιρίας. Το Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ. σε συνεργασία µε την εταιρία BETA CAE Systems Α.Ε, διερεύνησε και συνεχίζει να διερευνά τις σύγχρονες απαιτήσεις στις οποίες καλείται να αντεπεξέλθει ο µηχανικός που ασχολείται µε το σχεδιασµό και τη µελέτη των κατασκευών, ώστε αφενός να διαµορφωθεί και να υλοποιηθεί κατάλληλα ένα πρόγραµ- µα προπτυχιακών σπουδών στο γνωστικό αντικεί- µενο CAD/CAE και αφετέρου να δοθεί η δυνατότητα στους νέους µηχανικούς να δραστηριοποιηθούν στο διεθνή βιοµηχανικό χώρο. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται στοιχεία από τη διερεύνηση αυτή, τα συµπεράσµατά της, καθώς και στοιχεία από την εφαρµογή του προγράµµατος σπουδών που σχετίζεται µε το εκπαιδευτικό έργο του Εργαστηρίου. 1 Εισαγωγή Σήµερα, οι εφαρµογές τεχνολογιών µηχανικής µε τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή (Computer Aided Engineering - CAE) έχουν εξέχουσα θέση στον σχεδιασµό, την ανάλυση και την παραγωγή βιοµηχανικών προϊόντων. Σε µία διεθνοποιηµένη οικονοµία η διάχυση της τεχνολογίας και της τεχνογνωσίας θεωρείται πλέον δεδοµένη. Είναι απαίτηση και πρόκληση για τον µηχανικό να ανταγωνίζεται και να αντεπεξέρχεται σε ένα διεθνές και τεχνολογικά πολυ-πολιτισµικό επίπεδο. Η χρήση των Τεχνολογιών µε τη Βοήθεια Ηλεκτρονικού Υπολογιστή (CAx), συµπεριλαµβανοµένου του CAE, δεδοµένης της ευκολίας που παρέχουν στη µεταφορά των πληροφοριών, είναι πλέον διαδοµένη στα βιοµηχανικά περιβάλλοντα, σε πολυεθνικό επίπεδο. Παρόλο που η χρήση των συστηµάτων λογισµικού CAE είναι ευρέως διαδεδοµένη σε κλάδους της βιοµηχανίας όπως η αυτοκινητοβιοµηχανία και η αεροδιαστηµική βιοµηχανία, υπάρχει ένας αριθµός εµποδίων που αποτρέπει άλλους τοµείς και ιδιαίτερα τις µικρές και µεσαίες επιχειρήσεις να έχουν πρόσβαση στις τεχνολογίες αυτές και να τις εντάξουν αποδοτικά στον κύκλο ζωής των προϊόντων τους. Ένα από τα εµπόδια αυτά είναι η έλλειψη κατάλληλα εκπαιδευµένων µηχανικών µε γνώσεις στις τεχνολογίες CAE. Για πολλά χρόνια το CAE θεωρούνταν συνώνυµο µε τη Μέθοδο των Πεπερασµένων Στοιχείων και µηχανικοί µε µόνο τη γνώση της µεθόδου αυτής θεωρούνταν ικανοί για την εφαρµογή τεχνολογιών CAE. Αρχικά το CAE αντιµετωπίστηκε ως ένα συ- µπληρωµατικό εργαλείο το οποίο επέκτεινε την εργασία του µηχανικού από τα συµβατικά µέσα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Με τη ραγδαία τεχνολογική ανάπτυξη, η οποία έκανε προσιτά τα υπολογιστικά συστήµατα, και την ανάπτυξη των υπολογιστικών µεθόδων, το CAE εξαπλώθηκε και αναπτύχθηκε σε αυθύπαρκτο και πολυσχιδή χώρο. Ì Ì ÁÚÔÓfiÌˆÓ Î È ÔappleÔÁÚ ÊˆÓ ªË ÓÈÎÒÓ,..., 2003 applefi Ù ÛÙÚ ÛÙË ÁË Î È ÙÔÓ appleôïèùèûìfi ÊÈ ÚˆÌ ÛÙË ÌÓ ÌË ÙÔ ıëáëù Ï Í Ó ÚÔ ÛÈÔ ÌË ÛÂÏ

2 Με την εξάπλωση του CAE σε ποικίλα τεχνολογικά πεδία και µε την τάση προς ολοκλήρωση όλο και περισσότερων συστηµάτων λογισµικού σε ενιαία περιβάλλοντα, οι µηχανικοί καλούνται να αντεπεξέλθουν σε πιο σύνθετες απαιτήσεις και µόνο η γνώση της Μεθόδου των Πεπερασµένων Στοιχείων ή άλλων υπολογιστικών µεθόδων δεν είναι αρκετή. Απαιτείται ο συνδυασµός θεωρητικών γνώσεων και εφαρµοσµένων εµπειριών σε πολυάριθµα πεδία και η εκπαίδευση του µηχανικού στον χώρο αυτόν πρέπει να αρχίζει ήδη από το προπτυχιακό επίπεδο. Ένα αναβαθµισµένο πρόγραµµα σπουδών στο αντικείµενο των ολοκληρωµένων παραβαλλόντων CAE δίνει τη δυνατότητα στους νέους µηχανικούς να βοηθήσουν στην εξάπλωση του CAE στις µικρές και µεσαίες επιχειρήσεις, να δραστηριοποιηθούν στο διεθνή χώρο στις τεχνολογίες αιχµής και να συµµετέχουν στην εξέλιξη των τεχνολογιών αυτών. 2 Οι τεχνολογίες CAE 2.1 Η έννοια του CAE Η έννοια του όρου CAE (Computer Aided Engineering) έχει αλλάξει πολλές φορές κατά τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Ακόµα και σήµερα, η σηµασία του όρου διαφοροποιείται µεταξύ ακαδηµαϊκού χώρου και βιοµηχανίας ή ακόµα και µεταξύ διαφορετικών βιοµηχανικών χώρων. Το γεγονός αυτό προκαλεί ενίοτε παρεξηγήσεις ως προς το περιεχόµενο και την αποστολή των συστηµάτων λογισµικού τα οποία χαρακτηρίζονται ως συστήµατα CAE (Σαλτιέλ, 1996). Σύµφωνα µε έναν ορισµό, Computer Aided Engineering (CAE) είναι η χρήση συστηµάτων λογισµικού για την επίλυση προβληµάτων που αφορούν στον µηχανικό. Το CAE περιλαµβάνει όλες τις φάσεις ανάπτυξης ενός προϊόντος, όπως: - η σύλληψη, - η σχεδίαση, - η ανάλυση, - η βελτιστοποίηση, - η κατασκευή κ.ά., όταν αυτές γίνονται µε τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Έτσι, στην έννοια αυτή περιλαµβάνονται οι υπόλοιπες επιµέρους έννοιες των τεχνολογιών µε τη βοήθεια Η/Υ (Computer Aided Technologies - CAx), όπως για παράδειγµα για το σχεδιασµό είναι το Computer Aided Design - CAD, για την παραγωγή το Computer Aided Manufacturing - CAM κ.ά. (Tizzard, 1994). Στο πλαίσιο αυτό, η επίλυση των προβληµάτων για την ανάλυση και τη σύνθεση των κατασκευών µε υπολογιστικές µεθόδους, όπως είναι η Ανάλυση µε τη Μέθοδο των Πεπερασµένων Στοιχείων (Finite Elements Analysis - FEA), αναφέρονται ως Υπολογιστική Επιστή- µη και Μηχανική (Computational Science & Engineering - CSE) (Yasar, 2003). (βλ. Εικόνα 1). Η έννοια αυτή είναι πολύ ευρεία και καλύπτει πολλές περιοχές εφαρµογής των ηλεκτρονικών υπολογιστών στις επιστήµες, θεωρητικές και εφαρµοσµένες. Η ορολογία αυτή υιοθετείται ενίοτε από την ακαδηµαϊκή κοινότητα, διαφέρει όµως από την εφαρµογή της έννοιας στη βιοµηχανία. Η επικρατούσα άποψη στο χώρο της βιοµηχανίας θέλει τον όρο CAE, και κυρίως του Μηχανολογικού CAE (MCAE), να αναφέρεται στην ανάλυση των κατασκευών µε αριθµητικές µεθόδους και στην προσοµοίωση της συµπεριφοράς τους, ως µέρος της γενικότερης φάσης της εξέλιξης των προϊόντων, διαχωρίζοντάς το από τις υπόλοιπες τεχνολογίες CAx (Kojima, 2000). Στην περίπτωση αυτή θα µπορούσε γενικά να ειπωθεί ότι πρόκειται για µια άλλη ονοµασία για το CSE το οποίο προαναφέρθηκε. (βλ. Εικόνα 2). Αυτή η απόδοση των όρων έχει υιοθετηθεί και από το Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ. δεδοµένου ότι µε τον τρόπο αυτό διευκολύνεται η συνεργασία µε τη Βιοµηχανία. Η έννοια του CAE σήµερα συνοδεύεται από ένα σύνολο τεχνολογιών και συστηµάτων λογισµικού τα οποία εξυπηρετούν (βλ. Εικόνα 3): - την προεπεξεργασία δεδοµένων (CAE preprocessing), - την επίλυση των προβληµάτων (CAE, CSE), - την µεθεπεξεργασία και αξιολόγηση αποτελεσµάτων (CAE post-processing). Για την επίλυση των προβληµάτων χρησιµοποιούνται διάφορες αριθµητικές µέθοδοι όπως των Πεπερασµένων Στοιχείων, των Οριακών Πεπερασµένων Στοιχείων, των Πεπερασµένων ιαφορών κλπ., µε κυρίαρχη την πρώτη. Με τη βοήθεια των συστηµάτων λογισµικού τα οποία βασίζονται στις µεθόδους αυτές, επιλύεται σειρά µηχανολογικών προβληµάτων για την ανάλυση της συµπεριφοράς των κατασκευών, όπως είναι: - η στατική και δυναµική ανάλυση, - ο υπολογισµός και έλεγχος της αεροδυναµικής, - ανάλυση των προβληµάτων µετάδοσης θερµότητας, - ο υπολογισµός και ο έλεγχος της ακουστικής συµπεριφοράς κ.ά.. Τόσο από το εύρος των πεδίων εφαρµογής του CAE, όσο και από το ότι η εφαρµογή των αριθµη- 169

3 τικών µεθόδων απαιτεί τα στάδια της προεπεξεργασίας δεδοµένων και της µεθεπεξεργασίας αποτελεσµάτων, προκύπτει ότι το CAE είναι µια πολυσχιδής τεχνολογική περιοχή η οποία συνδυάζει πολλές διαφορετικές θεµατικές περιοχές και απαιτεί ποικίλες δεξιότητες. Αρχικά το CAE και η Υπολογιστική Μηχανική γενικότερα αντιµετωπίστηκαν ως ο κοινός τόπος των Εφαρµοσµένων Μαθηµατικών, της Επιστήµης των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και της Εφαρµοσµένης Μηχανικής. Αυτή η αρχική αντίληψη έχει αντικατασταθεί σήµερα από τη βεβαιότητα ότι το CAE αποτελεί αυθύπαρκτη περιοχή, η οποία συνδυάζει µεν τις παραπάνω περιοχές, έχει όµως το δικό της γνωστικό αντικείµενο µε επιπρόσθετες γνώσεις και δεξιότητες (βλ. Εικόνα 4). Οι επιπρόσθετες αυτές γνώσεις αφορούν κυρίως στις τεχνολογίες σύνδεσης των συστηµάτων CAx σε ολοκληρωµένα περιβάλλοντα εργασίας και στις στρατηγικές ένταξης των περιβαλλόντων αυτών στην παραγωγή. Εικόνα 1 Εικόνα 2 Εικόνα 3 Εικόνα Η εφαρµογή του CAE Στο σηµερινό ανταγωνιστικό επιχειρηµατικό περιβάλλον, οι απαιτήσεις για µείωση του χρόνου και του κόστους ανάπτυξης των προϊόντων συνεχώς µεγαλώνουν. Η εξέλιξη των υπολογιστικών µεθόδων και η µείωση του κόστους των υπολογιστικών συστηµάτων έχουν πλέον καταστήσει τις Τεχνολογίες µε τη Βοήθεια Ηλεκτρονικού Υπολογιστή (CAx) ένα βασικό και απαραίτητο µέσο σε όλες τις φάσεις του κύκλου ζωής ενός προϊόντος. Πλέον, το Computer Aided Engineering (CAE) έχει σηµαντική θέση στην ανάπτυξη των προϊόντων αφού επιτρέπει την ανάλυση εικονικών πρωτοτύπων µε µειωµένο κόστος και σε σύντοµο χρόνο. Το CAE βρήκε αρχικά εφαρµογή σε τοµείς της βιοµηχανίας όπου η πολυπλοκότητα των προϊόντων είναι µεγάλη, το κόστος των πρωτοτύπων υψηλό και οι απαιτούµενοι υπολογισµοί επίπονοι. Τέτοιοι τοµείς είναι η βιοµηχανία αυτοκινήτων, η αεροδιαστηµική βιοµηχανία κλπ. Σήµερα διαµορφώνονται νέες συνθήκες οι οποίες όχι µόνο επιτρέπουν αλλά κάνουν επιτακτική την χρήση του CAE σε όλους τους τοµείς εξέλιξης βιοµηχανικών προϊόντων και όχι µόνο. Ένας από τους σηµαντικούς παράγοντες για την εξάπλωση του CAE είναι η ευκολία που παρέχει στην διακίνηση των δεδοµένων και των πληροφοριών. Σήµερα πλέον η ανάπτυξη ενός προϊόντος ξεπερνά πολύ πιο εύκολα τα όρια µιας εταιρίας αλλά και τα όρια µιας χώρας. Ως αποτέλεσµα, οι υπηρεσίες ενός µηχανικού στον τοµέα του CAE ξεπερνούν τα στενά όρια µιας τοπικής αγοράς. 170

4 3 CAE και επαγγελµατικές απαιτήσεις Ένας µηχανικός στη σύγχρονη βιοµηχανία καλείται να είναι σε θέση όχι µόνο να χειριστεί έναν αριθµό εµπορικών συστηµάτων λογισµικού CAE αλλά και να είναι σε θέση να ολοκληρώνει επιτυχώς µια σειρά εργασιών οι οποίες συνθέτουν την διαδικασία του CAE. Έτσι, ο µηχανικός ο οποίος εργάζεται σε ένα ολοκληρωµένο περιβάλλον CAE καλείται: - να επιλέγει το κατάλληλο σύστηµα λογισµικού, - να καταστρώνει την στρατηγική ένταξης των τεχνολογιών CAE στην παραγωγή, - να είναι σε θέση να επιλέγει το είδος της ανάλυσης αφού πρώτα κατανοήσει τη φύση του προβλήµατος, - να ορίζει τις προδιαγραφές του υπολογιστικού µοντέλου, - να το δηµιουργεί, - να χειρίζεται το πρόγραµµα υπολογισµών, - να µπορεί να ερµηνεύει τα αποτελέσµατα και να εξάγει χρήσιµα και µε νόηµα συµπεράσµατα. Οι παραπάνω εργασίας απαιτούν τόσο γνώσεις της µηχανικής για την κατανόηση των προς επίλυση προβληµάτων όσο και ειδικές γνώσεις της αυθύπαρκτης πλέον περιοχής του CAE οι οποίες καθοδηγούν τον µηχανικό στη χάραξη των στρατηγικών εφαρµογής. Ενίοτε ένας µηχανικός καλείται να είναι αυτός ο οποίος θα συµµετέχει στην έρευνα για την εξέλιξη ενός συστήµατος λογισµικού CAE. Σήµερα, ο χώρος ανάπτυξης συστηµάτων λογισµικού CAE έχει ανάγκη από εξειδικευµένους µηχανικούς που να έχουν γνώσεις προγραµµατισµού και υπολογιστικών µεθόδων αλλά και να γνωρίζουν τις ειδικές απαιτήσεις της βιοµηχανίας ως προς τις µεθόδους εφαρµογής του CAE. Ένας µηχανικός ο οποίος εργάζεται για την ανάπτυξη συστηµάτων λογισµικού CAE καλείται να συµµετέχει, µεταξύ άλλων στις ακόλουθες φάσεις: - στον καθορισµό και την αξιολόγηση απαιτήσεων ως προς τα χαρακτηριστικά λειτουργίας ενός συστήµατος CAE, - τον σχεδιασµό και τον ορισµό προδιαγραφών λογισµικού, - τη δηµιουργία πηγαίου κώδικα, - την τεχνική και συµβουλευτική υποστήριξη χρηστών, - τη συγγραφή τεχνικών κειµένων και τεκµηρίωσης. Είναι φανερό ότι οι παραπάνω εργασίες απαιτούν γνώσεις που προέρχονται από διάφορα αντικείµενα και απαιτούν επιπρόσθετες ικανότητες, όπως αυτές της συνδυαστικής, της επικοινωνίας και της συνεργασίας. 4 CAE και πρόγραµµα σπουδών Το CAE, και γενικότερα η Υπολογιστική Μηχανική, συντίθενται από ένα µεγάλο εύρος δεξιοτήτων και θεµατικών περιοχών αλλά και από εξειδικευµένες γνώσεις σχετικές µε την ολοκλήρωση όλων αυτών των θεµατικών περιοχών σε υπολογιστικά περιβάλλοντα. Κατά τα τελευταίες δεκαετίες, καθώς εµφανιζόταν όλο και µεγαλύτερη ανάγκη για µηχανικούς µε γνώσεις στο αντικείµενο του CAE, δηµιουργήθηκαν παγκοσµίως αντίστοιχα εκπαιδευτικά προγράµµατα, κυρίως µεταπτυχιακά (SIAM, 2001, 2003). Όµως ο περιορισµένος αριθµός των µηχανικών που συνεχίζουν την εκπαίδευσή τους σε µεταπτυχιακό επίπεδο δεν είναι αρκετός για να καλύψει τις ανάγκες τις αγοράς. Συγχρόνως, τα µεταπτυχιακά προγράµµατα σπουδών είναι συνήθως πολύ εξειδικευµένα και οι απόφοιτοι µηχανικοί δεν έχουν την ευκαιρία να αποκτήσουν µια ευρεία παιδεία επάνω στις τεχνολογίες CAE. Στην Εικόνα 5 (Yasar, 2003) φαίνεται ποιοτικά το εύρος και η εµβάθυνση που αποκτάται σε κάθε επίπεδο σπουδών. Στην αγορά εργασίας υπάρχει ανάγκη για µηχανικούς µε πολλαπλές δεξιότητες, η εξειδίκευση στις οποίες θα απαιτούσε µακροχρόνιες σπουδές. Για τους παραπάνω λόγους είναι απαραίτητη η διαµόρφωση προπτυχιακών προγραµµάτων σπουδών τα οποία να καλύπτουν µεγάλο εύρος γνώσεων µε όσο το δυνατόν µικρή επικάλυψη. Εικόνα 5 Στο πλαίσιο αυτό έχουν δηµιουργηθεί προπτυχιακά τµήµατα µε σκοπό την ευρεία, αποκλειστική και 171

5 εξειδικευµένη εκπαίδευση σε θέµατα Υπολογιστικής Επιστήµης και Μηχανικής (Rüde κ.ά. 2002, KUCSEC, 2002). Όµως σε ένα τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, όπως είναι το Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ., πρέπει να αναζητείται συνεχώς εκείνη η αναλογία εύρους και εµβάθυνσης σε κάθε γνωστικό αντικείµενο ώστε αφενός µεν οι νέοι µηχανικοί να αποκτούν ικανές και αναγκαίες γνώσεις, αφετέρου δε να µην αλλοιώνεται ο χαρακτήρας των σπουδών του Μηχανολόγου Μηχανικού. Αναγνωρίζεται εύκολα ότι κατά την προπτυχιακή εκπαίδευση ενός µηχανολόγου µηχανικού στην περιοχή του CAE απαιτούνται συνδυασµένες γνώσεις ποικίλων αντικειµένων. Κατανέµοντας µέσα στο χρόνο σπουδών τα απαραίτητα γνωστικά αντικείµενα, ξεκινώντας από τις γνώσεις υποδοµής και καταλήγοντας στα πιο εξειδικευµένα θέµατα, δια- µορφώνεται ένα πρόγραµµα σπουδών µέσα από το οποίο ο νέος µηχανικός αποκτά τις απαραίτητες για την Παραγωγή γνώσεις. Στο πλαίσιο αυτό έχει διαµορφωθεί και το πρόγραµµα σπουδών του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. (Οδηγός Σπουδών, 2002). Με το πρόγραµµα αυτό, µε τη συνδροµή όλων των Τοµέων (Κατασκευαστικού, Ενεργειακού, ιοικητικού), επιτυγχάνεται µεταξύ άλλων, η κατάλληλη εµπέδωση των τεχνολογιών CAE καθώς και άλλων CAx τεχνολογιών (CAD, CAM κλπ.). Σύµφωνα µε το πρόγραµµα σπουδών του Τµή- µατος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ., κατά τον πρώτο Κύκλο Σπουδών, ο οποίος διαρκεί έξι εξάµηνα, διδάσκονται τα βασικά, θεωρητικά και εφαρµοσµένα, γνωστικά αντικείµενα τα οποία αφορούν στον Μηχανολόγο Μηχανικό. Πολλά από αυτά θεωρούνται θεµελιώδη για την περαιτέρω ενασχόληση µε το CAE, όπως είναι, µεταξύ άλλων, τα µαθήµατα: - Μαθηµατικά, - Πληροφορική, - Αριθµητική Ανάλυση, - Αντοχή των Υλικών και Μηχανολογικών Κατασκευών, - Μηχανουργικές Μορφοποιήσεις, - Θερµοδυναµική και Μετάδοση Θερµότητας, - Μηχανική Ρευστών και Αεροδυναµική, - Βιοµηχανική ιοίκηση. Κατά τη διάρκεια των επόµενων δύο Κύκλων Σπουδών, και ιδιαίτερα του τρίτου Κύκλου ο οποίος καλύπτει τα δύο τελευταία εξάµηνα σπουδών, δίνεται η δυνατότητα κατεύθυνσης και εξειδίκευσης των σπουδών µε κατάλληλα επιλεγµένα και οµαδοποιηµένα µαθήµατα. Στις περισσότερες εξειδικευ- µένες οµάδες µαθηµάτων παίζουν σηµαντικό ρόλο τα µαθήµατα τα οποία παρέχουν γνώσεις και εµπειρίες σε Τεχνολογίες µε την Βοήθεια Ηλεκτρονικού Υπολογιστή (CAx). Στο κοµµάτι αυτό του προγράµµατος σπουδών, το Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ. προσφέρει τέσσερα µαθήµατα τα οποία καλύπτουν τις απαραίτητες γνώσεις για την εµπέδωση των σταδίων σχεδίασης, ανάλυσης και σύνθεσης ενός προϊόντος µε τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή. Τα µαθήµατα αυτά είναι: - Αρχές συστηµάτων σχεδίασης CAD, - Μέθοδος των Πεπερασµένων Στοιχείων, - Μέθοδος των Οριακών Πεπερασµένων Στοιχείων, - Σύνδεση συστηµάτων CAD/CAE. Στο µάθηµα «Αρχές συστηµάτων σχεδίασης CAD» διδάσκονται τα µαθηµατικά στοιχεία τα οποία χρησιµοποιούνται από τα σύγχρονα συστή- µατα CAD για την γραφική περιγραφή των κατασκευών στο δισδιάστατο και τον τρισδιάστατο χώρο. Τα κύρια στοιχεία τα οποία διδάσκονται είναι: συστήµατα συντεταγµένων, οµογενείς συντεταγµένες, µετασχηµατισµοί στο δισδιάστατο και τρισδιάστατο χώρο, παράσταση καµπυλών στον τρισδιάστατο χώρο (συναρτήσεις Bezier, Spline, B-Spline), παράσταση επιφανειών στον τρισδιάστατο χώρο (επιφάνειες Bezier, Coons, B-Spline, NURBS). Το µάθηµα συνοδεύεται από εργαστηριακές ασκήσεις προγραµµατισµού Η/Υ για την εφαρµογή των παραπάνω γραφικών απεικονίσεων. Στο µάθηµα «Μέθοδος των Πεπερασµένων Στοιχείων» διδάσκονται τόσο οι βασικές αρχές των υπολογιστικών µεθόδων και της Μεθόδου των Πεπερασµένων Στοιχείων ειδικότερα, όσο και η ανάπτυξη προγραµµάτων Η/Υ για την εφαρµογή των µεθόδων αυτών. Τα θέµατα τα οποία διδάσκονται είναι: γενικά περί υπολογιστικών µεθόδων (Πεπερασµένες ιαφορές, Πεπερασµένα Στοιχεία, Οριακά Πεπερασµένα Στοιχεία), εισαγωγή στη Μέθοδο των Πεπερασµένων Στοιχείων (FEM), συνθήκες ισορροπίας, συνθήκες συµβιβαστού και νόµος του Hooke, διακριτοποίηση του χώρου σε πεπερασµένα στοιχεία, σχηµατισµός ολικού µητρώου ακαµψίας, χαρακτηριστικές ιδιότητες του υλικού, επίλυση του συστήµατος, η Μέθοδος των Μετατοπίσεων, η Αρχή των υνατών Μετατοπίσεων, η Αρχή των υνατών Έργων, συναρτήσεις παρεµβολής, τύποι Πεπερασµένων Στοιχείων, εφαρµογές της µεθόδου σε διάφορους τοµείς. Κατά τη διάρκεια του µαθήµατος 172

6 ζητείται η δηµιουργία προγράµµατος Η/Υ µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων και επίλυση προβληµάτων µε αυτό. Μερικά από τα θέµατα τα οποία διδάσκονται στο µάθηµα «Μέθοδος των Οριακών Πεπερασµένων Στοιχείων» είναι: βασικές εξισώσεις της θεωρίας ελαστικότητας, το πρόβληµα στρέψης του St. Venant, η λύση του προβλήµατος ως πρόβληµα Neumann και ως πρόβληµα Dirichlet, γενικά περί ολοκληρωτικών εξισώσεων, Ιδιοµορφίες της θεωρίας ελαστικότητας, η ολοκληρωτική εξίσωση του προβλήµατος Neumann και του προβλήµατος Dirichlet, αριθµητική λύση της ολοκληρωτικής εξισώσεως, διακριτοποίηση της περιµέτρου µε οριακά πεπερασµένα στοιχεία, προσέγγιση των ιδιοµορφιών, υπολογισµός των διατµητικών τάσεων και της ροπής αδράνειας σε στρέψη, εφαρµογές της µεθόδου σε διάφορους τοµείς. Κατά τη διάρκεια και αυτού του µαθήµατος ζητείται η δηµιουργία προγράµ- µατος Η/Υ για την επίλυση προβληµάτων µε τη Μέθοδο των Οριακών Πεπερασµένων Στοιχείων, µε τη βοήθεια του οποίου επιλύονται παραδείγµατα και ακολουθεί κριτική αξιολόγηση αποτελεσµάτων. Στο µάθηµα «Σύνδεση συστηµάτων CAD/CAE» επιχειρείται η απόκτηση µιας εποπτικής αλλά και εξειδικευµένης γνώσης όσον αφορά στην σύνδεση των συστηµάτων CAD και CAE σε ένα ολοκληρω- µένο περιβάλλον ανάπτυξης προϊόντων. Αρχικά αναλύονται θέµατα τα οποία αφορούν στην προεπεξεργασία των δεδοµένων, όπως: βάσεις δεδοµένων συστηµάτων CAD και αρχεία τυποποιηµένης µορφής, αυτόµατη διαχείριση γεωµετρικών και τεχνολογικών δεδοµένων, έλεγχος και δηµιουργία τοπολογίας γεωµετρικών περιγραφών, δηµιουργία τρισδιάστατου πλέγµατος πεπερασµένων στοιχείων και έλεγχος ποιότητας αυτού, ορισµός οριακών συνθηκών και φορτίων. Ακολουθούν θέµατα σχετικά µε την επίλυση προβληµάτων, όπως: περιγραφή συστηµάτων πεπερασµένων στοιχείων για την ανάλυση τάσεων και παραµορφώσεων, ανάλυση επίλυσης προβληµάτων πρόσκρουσης και ακουστικής. Τα θέµατα τα οποία διδάσκονται ολοκληρώνονται µε τις αρχές συστηµάτων µεθεπεξεργασίας για την αξιολόγηση και την ανάλυση αποτελεσµάτων καθώς και τη βελτιστοποίηση των κατασκευών. Στη διάρκεια του µαθήµατος αυτού επιλύονται εφαρµοσµένα προβλήµατα µε τη χρήση εµπορικών συστη- µάτων πεπερασµένων στοιχείων, κυρίως για την ανάλυση τάσεων και παραµορφώσεων σε αµαξώ- µατα αυτοκινήτων. Και τα υπόλοιπα εργαστήρια, όλων των Τοµέων του Τµήµατος, συµβάλλουν εξίσου, µε ειδικά µαθή- µατα, στην εκπαίδευση στην περιοχή των CAx. Κάποια από αυτά τα µαθήµατα είναι: - Αριθµητικές µέθοδοι σε ταλαντώσεις µηχανολογικών κατασκευών, - Μηχανολογικές µορφοποιήσεις µε ψηφιακή καθοδήγηση, - Ευέλικτα συστήµατα µηχανουργικών µορφοποιήσεων υποστηριζόµενα µε Η/Υ (CIM), - Αριθµητική ανάλυση προβληµάτων µεταφοράς µάζας και ενέργειας, - Βιοµηχανική Πληροφορική, κ.ά.. 5 Σύνδεση της Εκπαίδευσης µε τη Βιοµηχανία Η εκπαίδευση των µηχανικών στα ολοκληρωµένα περιβάλλοντα CAE δεν στοχεύει µόνο στην ικανοποίηση των αναγκών µιας τοπικής αγοράς αλλά και στο να παρέχει τις γνώσεις και τις εµπειρίες που απαιτούνται ώστε οι νέοι µηχανικοί να είναι σε θέση να παρέχουν υπηρεσίες και να δραστηριοποιούνται στο διεθνή βιοµηχανικό χώρο. Για την επίτευξη αυτού του στόχου είναι απολύτως απαραίτητη η συνεργασία των Πανεπιστηµίων µε το βιοµηχανικό χώρο. Στο πλαίσιο αυτό το Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ. συνεργάζεται µε την εταιρία εξέλιξης λογισµικού και µηχανολογικών µελετών BETA CAE Systems Α.Ε. (ΒΕΤΑ, 2003) τόσο σε εκπαιδευτικό όσο και σε ερευνητικό επίπεδο. Η εταιρία ΒΕΤΑ εξειδικεύεται κυρίως στην εξέλιξη λογισµικού προεπεξεργασίας δεδοµένων και µεθεπεξεργασίας αποτελεσµάτων ανάλυσης των κατασκευών. Τα κύρια προϊόντα της, ο προεπεξεργαστής ANSA και ο µεθεπεξεργαστής µετα, αποτελούν πλέον δύο από τα πρότυπα συστήµατα λογισµικού τα οποία χρησιµοποιούνται ευρύτατα στη Βιοµηχανία παγκοσµίως. Οι χώροι όπου τα προγράµµατα αυτά είναι εγκατεστηµένα περιλαµβάνουν τη βιοµηχανία αυτοκινήτων και τους προµηθευτές της, την αεροδιαστηµική βιοµηχανία, τις αγωνιστικές οµάδες αυτοκινητιστικού αθλητισµού, τη χηµική, τη γενική µηχανολογική βιοµηχανία καθώς και εκπαιδευτικά ιδρύµατα. Λόγω της συνεργασίας της µε τις βιοµηχανίες που αναφέρθηκαν και συνεπώς λόγω των νέων απαιτήσεων που διατυπώνονται καθηµερινά από αυτές, η BETA CAE Systems Α.Ε. εξελίσσει δυναµικά τα προγράµµατά της δηµιουργώντας και εξάγοντας έτσι τεχνογνωσία στην περιοχή του CAE. Η εταιρία BETA CAE Systems Α.Ε., µε τη συσσωρευµένη γνώση και πείρα των µηχανικών της, αποτελεί συνεπώς ένα πρότυπο εταιρίας για συνερ- 173

7 γασία µε τον πανεπιστηµιακό χώρο και συµβάλλει σηµαντικά στην Εκπαίδευση µε τη συνεχιζόµενη συνεργασία της µε το Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ. στον καθορισµό των προδιαγραφών και την υλοποίηση µιας υψηλού επιπέδου προπτυχιακής και µεταπτυχιακής εκπαίδευσης στο αντικείµενο του CAE. 6 Υλοποίηση προπτυχιακού προγράµµατος σπουδών Για να δοθεί η δυνατότητα στους φοιτητές να έχουν άµεση επαφή µε το αντικείµενο του CAE κατά τη διάρκεια των σπουδών τους είναι απαραίτητο να τους παρουσιάζονται παραδείγµατα και να τους ανατίθενται εργασίες προς µελέτη οι οποίες αφορούν σε πραγµατικά και εφαρµοσµένα προβλήµατα µηχανολογίας τεχνολογιών αιχµής. Με τον τρόπο αυτό οι φοιτητές προϊδεάζονται για τις απαιτήσεις στις οποίες θα κληθούν να αντεπεξέλθουν στο µέλλον. Σηµαντικό ρόλο στον εντοπισµό τέτοιων παραδειγµάτων αλλά και στη διαµόρφωση των προς ανάθεση εργασιών πρέπει να παίζουν οι εταιρίες των οποίων το αντικείµενο δραστηριότητας άπτεται του CAE. Το Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ. συνεργάστηκε µε την εταιρία BETA CAE Systems Α.Ε. για τον εντοπισµό και τη διαµόρφωση τέτοιων εφαρµοσµένων παραδειγµάτων τα οποία εισάγουν τους φοιτητές σταδιακά στα υπολογιστικά προβλήµατα. Τα προβλήµατα διατυπώνονται κατάλληλα ώστε να παίρνουν τη µορφή εργαστηριακών ασκήσεων στο πλαίσιο των µαθη- µάτων και θεµάτων διπλωµατικών εργασιών. 6.1 Υλικοτεχνική υποδοµή υποστήριξης διδακτικού έργου Ένα επιτυχηµένο πρόγραµµα σπουδών για µηχανικούς δεν περιορίζεται στο θεωρητικό επίπεδο αλλά επεκτείνεται και στις εφαρµοσµένες πρακτικές των τεχνολογικών πεδίων που διδάσκονται. Για το λόγο αυτό, είναι απαραίτητο η εκπαίδευση στις τεχνολογίες µε τη βοήθεια Ηλεκτρονικού Υπολογιστή (CAx) να περιλαµβάνει εκτεταµένη πρακτική άσκηση στην επίλυση πραγµατικών προβληµάτων µε τη χρήση εξελιγµένων υπολογιστικών συστηµάτων και εµπορικών συστηµάτων λογισµικού. Για την διενέργεια των εργαστηριακών ασκήσεων και την εκπόνηση των διπλωµατικών εργασιών απαιτείται η κατάλληλη υλικοτεχνική υποδοµή η οποία να επιτρέπει στους φοιτητές να έχουν πρόσβαση στα σχετικά δεδοµένα και τα εξειδικευµένα συστήµατα λογισµικού. Το Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ. διαµόρφωσε µια υπολογιστική νησίδα η οποία προσοµοιάζει από άποψη υποδοµής έναν επαγγελµατικό χώρο διενέργειας µελετών CAE και είναι εφάµιλλη αντίστοιχων νησίδων άλλων ακαδηµαϊκών ιδρυµάτων που ασχολούνται µε την περιοχή του CAE. Η υπολογιστική αυτή νησίδα καλύπτει πλήρως την περιοχή CAD/CAE. Τα εγκατεστηµένα προγράµµατα και οι υποδοµές χρησιµοποιούνται τόσο για εκπαιδευτικούς όσο και για ερευνητικούς σκοπούς για την περαιτέρω εξέλιξη µεθοδολογιών για τη βελτίωση σχεδιασµού και µελέτης µηχανολογικών κατασκευών. Η νησίδα αποτελείται από ένδεκα προσωπικούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές, σε δίκτυο, συνδεδεµένους µε ένα διακοµιστή αρχείων (file server) και ένα διακοµιστή αδειών χρήσης (license server), µε λειτουργικό σύστηµα Unix, ο οποίος ελέγχει τις άδειες χρήσης των συστηµάτων λογισµικού. Επίσης, στο δίκτυο αυτό είναι συνδεδεµένος και ένας έγχρωµος εκτυπωτής ο οποίος διευκολύνει την τεκ- µηρίωση των εργασιών. Στην Εικόνα 6 παρουσιάζεται σχηµατικά το δίκτυο αυτό. Στο περιβάλλον της υπολογιστικής νησίδας είναι εγκατεστηµένα συστήµατα λογισµικού τα οποία καλύπτουν όλα τα στάδια του κύκλου ανάπτυξης ενός προϊόντος µε τη βοήθεια Η/Υ. Έτσι, Στην υποδοµή αυτή εντάσσονται προγράµµατα Η/Υ: - σχεδίασης CAD, - προετοιµασίας δεδοµένων και µοντελοποίησης κατασκευών (pre-processing), - επίλυσης µε τη Μέθοδο των Πεπερασµένων και Οριακών Πεπερασµένων Στοιχείων (solvers), - ανάλυσης αποτελεσµάτων (post-processing), - εικονικής πραγµατικότητας (Virtual Reality - Virtual Prototyping) και - βελτιστοποίησης κατασκευών (optimization), µε τα οποία είναι δυνατή η πλήρης ανάπτυξη (σχεδιασµός, µελέτη, βελτιστοποίηση) πολύπλοκων µηχανολογικών κατασκευών. Ενδεικτικά αναφέρεται, ότι για το πεδίο της σχεδίασης µε τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή υπάρχει εγκατεστηµένο το πρόγραµµα Pro/ ENGI- NEER (PTC, 2003) και ο σχεδιαστικός πυρήνας ACIS (SPATIAL, 2003). Η εταιρία BETA CAE Systems A.E. παρέχει δωρεάν, για εκπαιδευτικούς και ερευνητικούς σκοπούς, άδειες χρήσης πολλών χρηστών για το πρόγραµµα προεπεξεργασίας ANSA και το πρόγραµµα µεθεπεξεργασίας µeta. (BETA, 2003). Ένα από τα εγκατεστηµένα προγράµµατα επίλυσης προβληµάτων είναι το πρόγραµµα NASTRAN (MSC, 2003). (βλ. Εικόνα 7). 174

8 στην πολυπλοκότητα του υπό µελέτη προϊόντος όσο και στην δυσκολία του σεναρίου επίλυσης. Μία από τις εισαγωγικές ασκήσεις είναι η στατική ανάλυση του κελύφους ενός τηλεφώνου. Η γεωµετρική περιγραφή του προϊόντος αυτού αποτελεί τυπικό παραδείγµατα που διατίθεται από το πρόγραµµα σχεδίασης CAD, Pro/Engineer (PTC, 2003). Κατά την άσκηση αυτή οι φοιτητές καλούνται να εισάγουν την γεωµετρία, µέσω ουδετέρου αρχείου µορφής IGES, στο πρόγραµµα προεπεξεργασίας ANSA. Ακολούθως απαιτείται να διορθωθεί, εάν χρειάζεται, η γεωµετρική περιγραφή και να ελεγχθούν οι τοπολογικές σχέσεις των γεωµετρικών οντοτήτων. Στη συνέχεια ζητείται η διακριτοποίηση της κατασκευής µε επιφανειακά πεπερασµένα στοιχεία (shell elements) και τετράεδρα χωρικά στοιχεία (volume elements) και να οριστούν οι κατάλληλες οριακές συνθήκες ώστε να προσοµοιωθούν οι συνθήκες κατά το πάτηµα ενός πλήκτρου του τηλεφώνου. (Εικόνα 8). Εικόνα 6 Εικόνα 8 Εικόνα Εφαρµοσµένες εργαστηριακές ασκήσεις Στόχος των εργαστηριακών αυτών ασκήσεων, στο πλαίσιο του µαθήµατος «Σύνδεση Συστηµάτων CAD/CAE», είναι να δοθεί η δυνατότητα όχι µόνο της γνωριµίας και εξοικείωσης µε διάφορα εµπορικά συστήµατα λογισµικού τα οποία χρησιµοποιούνται κατά τη διενέργεια µελετών CAE αλλά και της απόκτησης µιας σφαιρικής και εποπτικής εικόνας της όλης διαδικασίας ανάπτυξης προϊόντων. Για το λόγο αυτό τα θέµατα των ασκήσεων επιλέγονται ώστε να υπάρχει µια διαβάθµιση τόσο Μετά την ολοκλήρωση του µοντέλου πεπερασµένων στοιχείων της κατασκευής και τον ορισµό των συνθηκών και των παραµέτρων της επίλυσης, ακολουθεί η δηµιουργία αρχείου κατάλληλης µορφής και η εισαγωγή του στο πρόγραµµα επίλυσης NASTRAN. Τα αποτελέσµατα της επίλυσης εισάγονται στο πρόγραµµα µεθεπεξεργασίας µετα (Εικόνα 9). Μέσω γραφικών απεικονίσεων αναλύο- Εικόνα 9 175

9 νται και επεξεργάζονται τα αποτελέσµατα, ώστε να εξαχθούν συµπεράσµατα για την συµπεριφορά και την αντοχή της κατασκευής και τις τυχόν τροποποιήσεις που πρέπει να γίνουν σε αυτήν για τη βελτίωσή της. Η ολοκλήρωση της σειράς των εφαρµοσµένων ασκήσεων στατικής ανάλυσης πραγµατοποιείται µε την ανάλυση της φέρουσας κατασκευής ενός απλουστευµένου µοντέλου αµαξώµατος αυτοκινήτου. Για την άσκηση αυτή χρησιµοποιείται ένα αρχείο πεπερασµένων στοιχείων, σε µορφή LS- DYNA keyword, το οποίο διατίθεται από το αµερικανικό Εθνικό Κέντρο Ανάλυσης Συγκρούσεων (National Crash Analysis Center) NCAC της NHTSA (NCAC, 2003) στο πλαίσιο του προγράµ- µατος συνεργασίας για τα οχήµατα της επόµενης γενιάς (Partnership for Next Generation of Vehicles, PNGV). Αυτό το απλοποιηµένο αρχικό µοντέλο αποτελείται από επιφανειακά πεπερασµένα στοιχεία µεγάλου µεγέθους και προορίζεται για επίλυση προβλήµατος εµπρόσθιας πρόσκρουσης (Εικόνα 10). - να οριστεί εκ νέου η γεωµετρική περιγραφή, - να οµαδοποιηθεί η γεωµετρική αυτή περιγραφή σε αυτόνοµα κοµµάτια βάσει της λογικής της κατασκευής και της συναρµολόγησης της κατασκευής, και - να εισαχθούν οι µηχανικές ιδιότητες των υλικών. Κατόπιν, και πάλι µε τη χρήση του προγράµµατος προεπεξεργασίας ANSA (βλ. Εικόνα 12), προσο- µοιώνονται οι συνδέσεις µεταξύ των κοµµατιών µε ειδικά γραµµικά στοιχεία (Line Elements) και διακριτοποιείται ολόκληρο το αµάξωµα χρησιµοποιώντας επιφανειακά πεπερασµένα στοιχεία που ικανοποιούν συγκεκριµένα κριτήρια ποιότητας. Η προεπεξεργασία ολοκληρώνεται µε τον ορισµό των οριακών συνθηκών (στηρίξεις, δυνάµεις και συγκεντρωµένες µάζες) για την προσοµοίωση διαφόρων στατικών καταπονήσεων σύµφωνα µε το σενάριο επίλυσης της άσκησης. Εικόνα 12 Εικόνα 10 Για τη δηµιουργία ενός µοντέλου κατάλληλου για τη στατική ανάλυση της κατασκευής, απαιτείται µε τη χρήση του προγράµµατος ANSA (Εικόνα 11): Εικόνα 11 Το µοντέλο στατικής ανάλυσης που προκύπτει επιλύεται µε τη βοήθεια του προγράµµατος NASTRAN. Ακολουθεί η µεθεπεξεργασία των αποτελεσµάτων για τον έλεγχο και την ανάλυση της αντοχής του αµαξώµατος στους διαφορετικούς συνδυασµούς στατικών καταπονήσεων που του επιβλήθηκαν. Στην Εικόνα 13 έως την Εικόνα 15 απεικονίζονται ενδεικτικά οι παραµορφώσεις, οι τάσεις και οι ισοδύναµες τάσεις της κατασκευής, όπως αυτές παρατηρούνται στο πρόγραµµα µεθεπεξεργασίας µετα. Σε αυτό το σηµείο της άσκησης είναι πιθανό να απαιτηθεί η επιστροφή σε κάποιο από τα προηγούµενα στάδια ώστε να γίνουν κάποιες αλλαγές στο µοντέλο (διαφορετική διακριτοποίηση, ενίσχυση, κόλληση, αλλαγή υλικού κτλ.) προκειµένου να βελτιωθεί η συµπεριφορά και η αντοχή της όλης κατασκευής. 176

10 Εικόνα 13 ανάλυση, η ανάλυση δυναµικών, µη γραµµικών, προβληµάτων, όπως η προσοµοίωση πρόσκρουσης οχηµάτων, η ανάλυση θερµοκρασιακών πεδίων κ.ά.. Ακολούθως παρουσιάζεται ενδεικτικά το περιεχόµενο τριών πρόσφατων διπλωµατικών εργασιών. Η πρώτη διπλωµατική εργασία η οποία παρουσιάζεται, (Μαρµαράς, 2002), έχει ως αντικείµενο την προσοµοίωση µετωπικής πρόσκρουσης οχήµατος. Στην εργασία αυτή χρησιµοποιείται πάλι ένα αρχείο πεπερασµένων στοιχείων, σε µορφή LS- DYNA keyword, το οποίο διατίθεται από το αµερικανικό Εθνικό Κέντρο Ανάλυσης Συγκρούσεων (National Crash Analysis Center) NCAC της NHTSA (NCAC, 2003) (Εικόνα 16). Εικόνα 14 Εικόνα 16 Εικόνα ιπλωµατικές εργασίες Το εκπαιδευτικό έργο του Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ. σε προπτυχιακό επίπεδο ολοκληρώνεται µε τη εκπόνηση διπλωµατικών εργασιών στην θεµατική περιοχή του CAE µε ιδιαίτερη έµφαση στην προεπεξεργασία των δεδοµένων και τη µεθεπεξεργασία αποτελεσµάτων. Οι διπλωµατικές αυτές εργασίες έχουν ως σκοπό να προσεγγίσουν οι υποψήφιοι µηχανικοί τα υπολογιστικά προβλήµατα, όσο το δυνατόν, σε εφαρµοσµένο επίπεδο, παρόµοιο µε αυτό που θα κληθούν να ασχοληθούν στην Παραγωγή. Τα θέµατα των εργασιών αυτών καλύπτουν ένα φάσµα σεναρίων υπολογισµού, όπως είναι η στατική και η δυναµική Λόγω του ότι το δεδοµένο µοντέλο δεν ανταποκρίνονταν στις απαιτήσεις του σεναρίου επίλυσης της εργασίας αυτής, ήταν αναγκαία η περαιτέρω επεξεργασία του. Το αρχικό µοντέλο εισήχθη στο πρόγραµµα ANSA, δηµιουργήθηκε εκ νέου η γεωµετρική περιγραφή του οχήµατος και στη συνέχεια έγινε η σύνδεση των διαφορετικών τεµαχίων που αποτελούν το µοντέλο του οχήµατος µε ειδικά για δυναµική ανάλυση γραµµικά στοιχεία, προσοµοιώνοντας µε αυτό το τρόπο τις σηµειακές συγκολλήσεις του αµαξώµατος. Ακολούθως έγινε νέα διακριτοποίηση του αµαξώµατος µε επιφανειακά πεπερασµένα στοιχεία (shell elements) µε συγκεκριµένα χαρακτηριστικά ποιότητας. H µοντελοποίηση των υπόλοιπων µερών (τροχοί, αναρτήσεις, αρθρώσεις, κινητήρας και σύστηµα µετάδοσης) έγινε µε κατάλληλα για κάθε περίπτωση γραµµικά στοιχεία (Bar και Beam elements) και µάζες. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στον ορισµό των µηχανικών ιδιοτήτων των υλικών και στην ανάθεση του κατάλληλου υλικού σε κάθε τεµάχιο του αµαξώµατος. Τέλος η διαδικασία της προεπεξεργασίας ολοκληρώθηκε µε τον ορισµό των κατάλληλων οριακών συνθηκών (περι- 177

11 ορισµοί κίνησης, αρχική ταχύτητα σύγκρουσης και µοντελοποίηση του επιπέδου κίνησης και του επιπέδου σύγκρουσης) και τη δηµιουργία κατάλληλου αρχείου για την εισαγωγή του στο σύστηµα λογισµικού επίλυσης PamCrash. Όλες οι παραπάνω εργασίες για την ολοκλήρωση του υπολογιστικού µοντέλου (Εικόνα 17) έγιναν στο πρόγραµµα ANSA. Εικόνα 18 Εικόνα 17 Στην Εικόνα 18 έως την Εικόνα 21 εµφανίζονται τέςσερις χαρακτηριστικές καταστάσεις, σε διαφορετικούς χρόνους, της προσοµοίωσης πρόσκρουσης του αµαξώµατος, όπως αυτές προκύπτουν από τα αποτελέσµατα της επίλυσης. Στις συγκεκριµένες εικόνες είναι εµφανείς οι παραµορφώσεις του αµαξώµατος και συγχρόνως γίνεται παράσταση των ισοδύναµων τάσεων κατά von Mises. Στο πλαίσιο της δεύτερης διπλωµατικής εργασίας που παρουσιάζεται (Μπούρας, 2002) έγινε η προσοµοίωση των θερµικών καταπονήσεων σε κυλινδροκεφαλή, από αλουµίνιο, τετρακύλινδρου βενζινοκινητήρα επιβατικού αυτοκινήτου. Η γεωµετρία της κυλινδροκεφαλής εισήχθη για προεπεξεργασία στο πρόγραµµα ANSA µέσω ουδετέρου αρχείου IGES, όπου έγινε η διακριτοποίηση της καθώς και ο ορισµός των κατάλληλων οριακών συνθηκών για την συγκεκριµένη µελέτη. Ακολούθως δηµιουργήθηκε κατάλληλο αρχείο και η εισαγωγή του στο σύστηµα λογισµικού επίλυσης ABAQUS. Παρατηρήσεις επί των αποτελεσµάτων της επίλυσης έγιναν στο πρόγραµµα µεθεπεξεργασίας µετα. Εκεί εντοπίστηκαν και αναλύθηκαν τα θερµοκρασιακά πεδία που αναπτύχθηκαν κατά την προσοµοίωση (Εικόνα 22) καθώς και οι παραµορφώσεις του υλικού ως αποτέλεσµα της ανάπτυξης θερµοκρασιών στην κυλινδροκεφαλή (Εικόνα 23). Εικόνα 19 Εικόνα 20 Εικόνα

12 Εικόνα 22 Το µοντέλο εισήχθη στο πρόγραµµα ANSA το οποίο έχει τη δυνατότητα να µετατρέψει αυτόµατα το µοντέλο LS-DYNA σε µορφή µοντέλου NASTRAN, το οποίο και απαιτείται για την ανάλυση που θα διεξαχθεί. Στην ανάλυση ιδιοµορφών συµµετέχουν µόνο αυτά τα κοµµάτια του µοντέλου που αποτελούν την φέρουσα κατασκευή. (Εικόνα 25) Στο πρόγραµµα ANSA έγιναν όλα τα βήµατα προεπεξεργασίας του µοντέλου, όπως η προσοµοίωση των σηµειακών και συνεχών συγκολλήσεων, η διόρθωση του πλέγµατος πεπερασµένων στοιχείων, ο ορισµός οριακών συνθηκών και η εξαγωγή κατάλληλου αρχείου για την επίλυση. Εικόνα 23 Το πεδίο της τρίτης διπλωµατικής εργασίας που παρουσιάζεται (Ψαρρός, 2002) είναι η ανάλυση ιδιο- µορφών ενός αµαξώµατος. Το συγκεκριµένο είδος µελέτης είναι υποσύνολο της ευρύτερης δυναµικής ανάλυσης (Noise Vibration Harshness analysis - N.V.H.) ενός αµαξώµατος. όπου εξετάζεται όχι µόνο η αντοχή της κατασκευής σε κόπωση αλλά και οι παράγοντες που επηρεάζουν την άνεση των επιβατών της, όπως είναι ο θόρυβος και οι ταλαντώσεις. Στην εργασία αυτή χρησιµοποιείται ακόµα ένα αρχείο πεπερασµένων στοιχείων, σε µορφή LS- DYNA keyword, το οποίο διατίθεται από το αµερικανικό Εθνικό Κέντρο Ανάλυσης Συγκρούσεων (National Crash Analysis Center) NCAC της NHTSA (NCAC, 2003) (Εικόνα 24). Εικόνα 25 Για την επίλυση χρησιµοποιήθηκε το σύστηµα λογισµικού NASTRAN. Για την εξαγωγή συµπερασµάτων για την συµπεριφορά της κατασκευής, οι τιµές των ιδιοµορφών και των ιδιοσυχνοτήτων που προέκυψαν ως αποτελέσµατα της επίλυσης, εισήχθησαν στο πρόγραµµα µεθεπεξεργασίας µετα. Εκεί επιτεύχθηκε ο διαχωρισµός, ο συνδυασµός και η σύγκριση των αποτελεσµάτων µε τη βοήθεια απεικονίσεων επάνω στο µοντέλο (Εικόνα 26). Εικόνα 26 Εικόνα 24 Επίσης δηµιουργήθηκαν δισδιάστατα διαγράµµατα ώστε να διευκολυνθούν οι συγκρίσεις των αποτελεσµάτων και ο εντοπισµός προβληµάτων στην συ- 179

13 µπεριφορά της κατασκευής. Με τον τρόπο αυτό απλοποιήθηκε η διαδικασία εξαγωγής συµπερασµάτων για τη βελτίωση της κατασκευής. Εικόνα 27 7 Συµπεράσµατα Από την παρουσίαση αυτή γίνεται εµφανές ότι όταν η εκπαίδευση των µηχανικών βασίζεται σε ένα κατάλληλα διαµορφωµένο πρόγραµµα σπουδών, οι νέοι µηχανικοί ανταποκρίνονται όπως απαιτείται στις σύγχρονες ανάγκες της αγοράς για απασχόληση στον τοµέα των τεχνολογιών αιχµής όπως είναι ο τοµέας της µηχανικής µε τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή (Computer Aided Engineering - CAE). Η στενή συνεργασία µεταξύ του Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασµού του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. (Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ.) και της εταιρίας BETA CAE Systems Α.Ε., επί σειρά ετών, οδήγησε στο σχεδιασµό και την υλοποίηση ενός επιτυχούς προγράµµατος σπουδών στο Εργαστήριο. Το προπτυχιακό πρόγραµµα σπουδών όπως διαµορφώνεται στο Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ., βασισµένο στις απαιτήσεις και τις εµπειρίες τις Βιοµηχανίας, παρέχει το θεωρητικό υπόβαθρο και την εφαρµοσµένη άσκηση για την ορθή εµπέδωση των τεχνολογιών CAD/CAE και την ολοκλήρωσή τους σε ενιαία περιβάλλοντα. Τα θετικά αποτελέσµατα του προγράµµατος αυτού γίνονται απτά µέσα από την επιτυχηµένη επαγγελµατική πορεία των µηχανικών που το παρακολούθησαν και οι οποίοι µετέπειτα επέλεξαν να απασχοληθούν στο πεδίο του CAE, είτε στον τοµέα της έρευνας και ανάπτυξης συστηµάτων λογισµικού, είτε στον τοµέα της εξέλιξης βιοµηχανικών προϊόντων σε διεθνές και τοπικό επίπεδο. Αναγνωρίσεις Το Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασµού, του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. (Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ.), ευχαριστεί την εταιρία εξέλιξης λογισµικού BETA CAE Systems Α.Ε., Κάτω Σχολάρι Θεσσαλονίκης, για την παραχώρηση της άδειας χρήσης, πολλαπλών θέσεων εργασίας, των προγραµµάτων της, ANSA και µετα, και τη διάθεση υπολογιστικού χρόνου στα συστήµατά της για σκοπούς Εκπαίδευσης, Έρευνας και Ανάπτυξης. Επίσης την ευχαριστεί για την συνεργασία και τις πληροφορίες που προσφέρει ώστε το περιεχόµενο των σπουδών να προσανατολίζεται προς την επιτυχή σύνδεση της Εκπαίδευσης µε την Παραγωγή. Ακόµα, ευχαριστεί τους µηχανικούς της BETA CAE Systems Α.Ε. για την πολύτιµη συµβολή τους και τη συνεργασία τους στο εκπαιδευτικό έργο του Ε.Σ.Μ.&Μ.Σ.. Βιβλιογραφία BETA CAE Systems Α.Ε. (2003). Kojima Y. (2000). Mechanical CAE in Automotive Design. R&D Review Toyota CRDL, Vol. 35, No. 4. KUCSEC (2002). Keck Undergraduate Computational Science Education Consortium - Proposal Overview. Capital University. MSC Software (2003). NCAC (2003). index.html/. PTC (2003). Rüde U., Strehl V., Fabricious U., Kaltenbacher M. (2002). Study Guide Bechelors and Masters program in Computational Engineering. University of Erlangen-Nürnberg. Version Autumn SIAM (2003). Graduate Programs in Computational Science. SIAM Working Group on CSE Education (2001). Graduate Education in Computational Science and Engineering. SIAM Review Vol.43, No. I, pp Society for Industrial and Applied Mathematics. SPATIAL (2003)

14 Tizzard A. (1994). An introduction to Computer-Aided Engineering. McGraw-Hill Book Company Europe. Yasar O. και Landau R. (2003). Elements of Computational Science & Engineering Education. SIAM Review, April Μαρµαράς Κ. (2002). Προσοµοίωση µετωπικής σύγκρουσης οχήµατος και επίλυση µη τη χρήση του προγράµµατος Η/Υ Pam-Crash. ιπλωµατική Εργασία. Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασµού, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ.. Μπούρας Σ. (2002). Ανάλυση καταπόνησης κυλινδροκεφαλής κινητήρα µε τη µέθοδο των Πεπερασµένων Στοιχείων. ιπλωµατική Εργασία. Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασµού, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ.. Οδηγός Σπουδών (2002). Ακαδηµαϊκό Έτος , Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών. Πολυτεχνική Σχολή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης. Σαλτιέλ Σ.-Τ. (1996). Ανάλυση προβληµάτων και εξέλιξη µεθοδολογίας για την αυτόµατη σύνδεση συστηµάτων CAD/CAE, µε εφαρµογή στη βιοµηχανία αµαξωµάτων. ιδακτορική διατριβή. Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ.. Ψαρρός. (2002). υναµική ανάλυση αµαξώµατος σε σύστηµα CAD/CAE. ιπλωµατική Εργασία. Εργαστήριο Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασµού, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ. 181